СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ СЕРЕБРА, КАРБИДОВ ВОЛЬФРАМА И МОНОНИТРИДА ВОЛЬФРАМА НА МЕДНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ Российский патент 2021 года по МПК C23C4/10 C23C4/134 C23C4/18 H01H1/233 

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности с использованием концентрированных потоков энергии, в частности к технологии получения на медных электрических контактах покрытий на основе карбидов вольфрама WC и W2C0,84, мононитрида вольфрама и серебра, которые могут быть использованы в электротехнике как электроэрозионностойкие покрытия с высокой электропроводностью и адгезией с подложкой на уровне когезии.

Известен способ нанесения на контактные поверхности электроэрозионностойких молибден-медных композиционных покрытий с наполненной структурой [RU №2451111, МПК С23С 14/32, С23С 14/16, опубл. 20.05.2012], включающий использование концентрированного потока энергии для испарения исходных материалов молибдена и меди и конденсацию их на контактную поверхность. В качестве исходных материалов попеременно используют сначала фольгу меди массой 4…5 мг с навеской порошка молибдена массой 0,8…0,9 г, затем одну фольгу меди массой 175…185 мг, испарение осуществляют при пропускании по фольге электрического тока, вызывающего ее электрический взрыв, а конденсацию продуктов взрыва на контактную поверхность осуществляют при значении поглощаемой плотности мощности на упрочняемой поверхности 4,5…5,0 и 7,6…8,1 ГВт/м² соответственно.

Недостатком способа является низкая стабильность структуры в процессе эксплуатации электрических контактов с такими покрытиями. В процессе эксплуатации электрических контактов с такими покрытиями происходит оплавление их поверхности, под воздействием искрообразования и возникновения электрической дуги возникает локальное оплавление и разбрызгивание металла, в результате чего металлическое изделие нарушает свою целостность, изменяет размеры и форму. Поскольку вольфрам и медь являются несмешивающимися компонентами во всем температурном и концентрационном интервале, при взаимодействии искры или дуги при коммутации контактов на поверхности покрытия возникают различного вида дефекты. В процессе испытаний легкоплавкая медь испаряется и основным элементом покрытия становится вольфрам, который образует матрицу с включениями меди с размерами порядка нескольких микрометров [Электровзрывное напыление износо- и электроэрозионностойких покрытий / Д. А. Романов, Е. А. Будовских, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов. - Новокузнецк: Изд-во ООО «Полиграфист», 2014. - 203 с]. Это может стать причиной преждевременного отказа в работе электрических контактов. Кроме того, для ряда практических применений электрических контактов, помимо электроэрозионной стойкости необходима высокая твердость.

Наиболее близким к заявляемому является способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе оксида кадмия и серебра на медные электрические контакты [RU №2663022, МПК С23С 4/10, С23С 4/12, H01H 1/02, опубл. 01.08.2018], включающий электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской серебряной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка оксида кадмия массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м, осаждение на поверхность продуктов взрыва с формированием на ней композиционного покрытия системы CdO-Ag и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см², длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30.

Недостатком способа является низкая стабильность структуры в процессе эксплуатации электрических контактов с такими покрытиями, а также их низкая электропроводность. В процессе эксплуатации электрических контактов с такими покрытиями происходит оплавление их поверхности, под воздействием искрообразования и возникновения электрической дуги возникает локальное оплавление и разбрызгивание металла, в результате чего металлическое изделие нарушает свою целостность, изменяет размеры и форму. При коммутации контактов на поверхности покрытия CdO-Ag возникают пары и дым. Образующиеся в результате оплавления монооксида кадмия электрической дугой, пары и дым являются токсичными и ядовитыми для человека. В процессе испытаний легкоплавкое серебро испаряется и основным элементом покрытия становится монооксид кадмия, который образует матрицу с включениями серебра с размерами порядка нескольких микрометров [Структура и электроэрозионная стойкость медных электрических контактов, модифицированных электровзрывным методом / Д.А. Романов, СВ. Московский, В.Е. Громов и др. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2019. - Т 16. - №1. С. 62-70]. Это может стать причиной преждевременного отказа в работе электрических контактов. Низкая электропроводность покрытий вызывает перегрев электрических контактов в процессе эксплуатации, в результате чего уменьшается ресурс их работы. Кроме того для ряда практических применений электрических контактов помимо электроэрозионной стойкости необходима высокая твердость.

Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является получение композиционных покрытий на основе серебра, карбидов вольфрама и мононитрида вольфрама с наполненной микрокристаллической структурой, обладающих высокой стабильностью структуры, когезией между серебряной матрицей и фазами карбидов вольфрама и мононитрида вольфрама, высокой степенью гомогенизации структуры поверхностного слоя, зеркальным блеском поверхности, высокой электропроводностью и электроэрозионной стойкостью.

Существующая техническая проблема реализуется способом нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе серебра, карбидов вольфрама и мононитрида вольфрама на медные электрические кон такты, включающем электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской серебряной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка карбида вольфрама массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м, осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней композиционного покрытия системы WC-Ag, азотирование в течение 3-5 часов при температуре 500-600°С и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве 10-30 импульсов.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в том, что, при электрическом взрыве композиционного электрически взрываемого проводника состава WC-Ag продукты разрушения образуют плазменную струю, служащую инструментом формирования на поверхности медных электрических контактов композиционного покрытия с наполненной структурой, образованного сплавом серебра и карбида вольфрама [Мэттьюз М., Ролингс Р. Композиционные материалы. Механика и технология. - М.: Техносфера, 2004. - 408 с]. Электровзрывное напыление приводит к формированию композиционного покрытия с высокой адгезией с медной подложкой. Азотирование электровзрывных композиционных покрытий приводит к формированию в покрытии мононитрида вольфрама WN и карбида вольфрама W₂C_0,84 (установлено методом рентгенофазового анализа), которые обладают высокой электропроводностью, дугостойкостью и твердостью. Также в составе покрытия сохраняется соединение WC. Применение серебра и мононитрида вольфрама обеспечивает высокую электропроводность формируемых покрытий. Импульсно-периодическая электронно-пучковая обработка приводит к формированию в покрытии высокодисперсной и однородной структуры. Поверхность покрытия приобретает зеркальный блеск. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании поверхностного слоя с повышенной электропроводностью и электроэрозионной стойкостью, что увеличивает срок службы и расширяет область практического применения электрических контактов в электротехнической аппаратуре. Кроме того, повышается безопасность обслуживающего электрические устройства персонала вследствие применения экологически чистых нетоксичных материалов.

Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что при электровзрывном напылении на медных электрических контактах путем электрического взрыва композиционного электрически взрываемого проводника при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м происходит формирование покрытия с композиционной наполненной структурой, когда в серебряной матрице, располагаются включения WC. Указанный режим, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 4,5-6,5 ГВт/м, установлен эмпирически и является оптимальным, поскольку при интенсивности воздействия ниже 4,5 ГВт/м не происходит образование рельефа между покрытием и подложкой из меди, вследствие чего возможно отслаивание покрытия, а выше 6,5 ГВт/м происходит формирование развитого рельефа поверхности напыляемого покрытия. При значении массы серебряной фольги менее 60 мг становится невозможным изготовление из нее композиционного электрически взрываемого проводника. При значении массы серебряной фольги более 360 мг покрытие с композиционной наполненной структурой на медных электрических контактах обладает большим количеством дефектов. При значении массы сердечника композиционного электрически взрываемого материала менее 0,5 или более 2,0 массы фольги покрытие с композиционной наполненной структурой на медных электрических контактах также обладает дефектной структурой. Граница электровзрывного покрытия с медной подложкой не является ровной, что позволяет увеличить адгезию покрытия с подложкой.

При времени азотирования менее 3 часов и температуре ниже 500°С поверхностный слой электровзрывных покрытий «серебряная матрица-включения WC» слабо насыщается ионами азота, что не обеспечивает формирование мононитрида вольфрама. При времени азотирования более 5 часов и температуре выше 600°С в поверхностном слое электровзрывных покрытий «серебряная матрица - включения WC» насыщение покрытия азотом прекращается.

Импульсно-периодическая электронно-пучковая обработка поверхности электровзрывного покрытия с поверхностной плотностью поглощаемой энергии 40-60 Дж/см², длительностью импульсов 150-200 мкс, количеством импульсов 10-30 приводит к выглаживанию рельефа поверхности до образования зеркального блеска. Толщина модифицированных слоев после электронно-пучковой обработки изменяется в пределах от 20 до 40 мкм и незначительно увеличивается с ростом плотности энергии пучка электронов. Электронно-пучковая обработка, сопровождающаяся переплавлением слоя покрытия приводит к формированию композиционной наполненной структуры [Мэтьюз М., Ролингс Р. Композиционные материалы. Механика и технология. - М.: Техносфера, 2004. - 408 с]. Импульсно-периодическая электронно-пучковая обработка поверхностного слоя приводит к формированию в нем более дисперсной и однородной структуры. Указанный режим является оптимальным, поскольку при поверхностной плотности энергии меньше 40 Дж/см, длительности импульсов короче 150 мкс, количестве импульсов менее 10 имп. не происходит образования однородной структуры на основе серебра, карбидов вольфрама и мононитрида вольфрама. При поверхностной плотности энергии больше 60 Дж/см², длительности импульсов длиннее 200 мкс, количестве импульсов более 30 имп. происходит формирование рельефа поверхности.

Электроэрозиоинуюстойкость покрытий, полученных заявленным способом, в условиях дуговой эрозии измеряли на контактах электромагнитных пускателей марки ПМА 4100. Испытания на коммутационную износостойкость в режиме АС-4 согласно ГОСТу [ГОСТ 2933-83. Испытание на механическую и коммутационную износостойкость. Аппараты электрические низковольтные методы испытаний. - М.: Изд-во стандартов, 1983. - 26 с] проводили на испытательном комплексе ФГБОУ ВО Сибирский государственный индустриальный университет (г.Новокузнецк) при токе коммутирования 378 А, который в 6 раз превышал номинальный, и cosϕ=0,35. Число циклов включений-отключений до полного разрушения составило - 11 000-12 000. Это превышает требования ГОСТа, согласно которому число циклов включений-отключений до полного разрушения для таких контактов должно составлять 10 000.

Испытания покрытий на электроэрозионную стойкость в условиях искровой эрозии проводили при точечном контакте. Ток составлял 3А и напряжение - 220 В. После 10 000 включений-отключений измеряли потерю массы образца. Формирующиеся в предлагаемом способе покрытия обладают большей электроэрозионной стойкостью в условиях искрового разряда по сравнению с электротехнической медью марки М00. Относительное изменение электроэрозионной стойкости в условиях искровой эрозии покрытий с композиционной наполненной структурой mэ/m составляет 9,8, где mэ - потеря массы меди марки М00, принятой за эталон при 10 000 циклов включений-отключений.

Измерение удельной электропроводности покрытий производили с использованием измерителя электропроводности Константа К6. Значение удельной электропроводности покрытий на основе серебра, карбидов вольфрама WC и W₂C_0,84 и мононитрида вольфрама превышает на 5% удельную электропроводность покрытий, полученных в прототипе.

Способ иллюстрируется рисунками, где:

на фиг. 1 представлена структура поперечного сечения поверхностного слоя композиционного покрытия на основе серебра, карбидов вольфрама WC и W2C0,84 и мононитрида вольфрама, - покрытие получено на электротехнической меди марки М00;

на фиг. 2 - структура поперечного сечения поверхностного слоя композиционного покрытия на основе серебра, карбидов вольфрама WC и W₂C_0,84 и мононитрида вольфрама с медной подложкой (марка меди М00);

на фиг. 3 - структура композиционного покрытия на основе серебра, карбидов вольфрама и мононитрида вольфрама.

Примеры конкретного осуществления способа:

Пример 1.

Обработке подвергали контактную поверхность медного электрического контакта командоконтроллера ККТ 61 площадью 1,5 см. Использовали композиционный электрически взрываемый проводник, состоящий из оболочки и сердечника в виде порошка WC, при этом оболочка состояла из двух слоев электрически взрываемой плоской серебряной фольги массой 60 мг, а масса сердечника составляла 30 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5 ГВт/м² и формировали на ней композиционное электровзрывное покрытие системы WC-Ag. Азотирование проводили в течение 3 часов при температуре 500°С. Последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия проводили при поверхностной плотности энергии 40 Дж/см², длительности импульсов - 150 мкс, количестве импульсов - 10 ими. Азотирование и последующую импульсно-периодическуго электронно-пучковую обработку проводили на установке «КОМПЛЕКС» (объект инфраструктуры зарегистрирован на сайте http://www.ckp-rf.ru

https://www.hcei.tsc.ru/ru/cat/unu/unikuum/03_06.html).

Получили электроэрозионностойкое покрытие с высокой адгезией покрытия с подложкой на уровне когезии. На ООО «Мысковский завод электромонтажных изделий» (Кемеровская область - Кузбасс, г. Мыски) медные контакты, упрочненные заявляемым способом, показали увеличенный ресурс коммутационного износа в 1,9…2,3 раза по сравнению с серийными контактами.

Пример 2.

Обработке подвергали медную электроконтактную поверхность контактов пускателей марок ПВИ-320А площадью 0,8 см². Использовали композиционный электрически взрываемый проводник, состоящий из оболочки и сердечника в виде порошка WC, при этом оболочка состояла из двух слоев электрически взрываемой плоской серебряной фольги массой 360 мг, а масса сердечника составляла 720 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли медную электроконтактную поверхность контактов пускателей марок ПВИ-320А при поглощаемой плотности мощности 6,5 ГВт/м и формировали на ней композиционное электровзрывное покрытие системы WC-Ag. Азотирование проводили в течение 5 часов при температуре 600°С. Последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия проводили при поверхностной плотности энергии 60 Дж/см², длительности импульсов - 200 мкс, количестве импульсов - 30 ими. Азотирование и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку проводили на установке «КОМПЛЕКС» (объект инфраструктуры зарегистрирован на сайте http://www.ckp-rf.ru https://www.hcei.tsc.ru/ru/cat/unu/unikuum/03_06.html).

Получили электроэрозионностойкое покрытие с высокой адгезией покрытия с основой на уровне когезии. На ООО «Ремкомплект», г. Новокузнецк медные контакты, упрочненные заявляемым способом, показали ресурс коммутационного износа на уровне в 2,4 раза выше контактов пускателей марок ПВИ-320А.

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности и может быть использовано в электротехнике. Способ нанесения электроэрозионных покрытий на основе серебра, карбидов вольфрама и мононитрида вольфрама на медные электрические контакты включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской серебряной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка карбидов вольфрама массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м², осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней композиционного покрытия системы WC-Ag, азотирование в течение 3-5 часов при температуре 500-600°С и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве 10-30. Изобретение направлено на формирование на медных электрических контактах покрытий на основе серебра, карбидов вольфрама WC и W₂C_0,84 и мононитрида вольфрама, обладающих высокой электроэрозионной стойкостью, высокой электропроводностью и адгезией с подложкой на уровне когезии. 2 пр., 3 ил.

Способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе серебра, карбидов вольфрама и мононитрида вольфрама на медные электрические контакты, включающий электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской серебряной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка монокарбида вольфрама массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м², осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней композиционного покрытия системы WC-Ag, азотирование в течение 3-5 часов при температуре 500-600°С и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см², длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30.